توفير الطاقة في chiller عبر free cooling وحلول chiller الهجين

بالنسبة للمنشآت الصناعية التي تبحث عن توفير الطاقة في الـ chiller، يُعد free cooling، أي التبريد الحر، أحد أكثر الطرق الملموسة لخفض تكلفة التشغيل بشكل دائم. ففي التكلفة الإجمالية لعمر الـ chiller، غالباً ما تتجاوز الكهرباء التي تستهلكها الضواغط ثمن الشراء بكثير. ويستهدف التبريد الحر هذا البند تحديداً، إذ يوقف الضواغط عن العمل أو يخفّض حملها لطرح الحرارة عندما يكون الهواء الخارجي بارداً بما يكفي. في هذا المقال نتناول بعين المهندس كيفية عمل التبريد الحر، ومنطق الـ chiller الهجين، والظروف التي يتحقق فيها العائد على التوفير بأسرع صورة.

كيف يعمل التبريد الحر

في دورة التبريد التقليدية، يُطرح حمل التبريد عبر الضاغط الذي يضغط مائع التبريد، وهنا تحديداً يُستهلك الجزء الأكبر من الكهرباء. أما في التبريد الحر فينعكس المنطق: فعندما تنخفض درجة حرارة الهواء الخارجي إلى ما دون درجة حرارة الماء المبرَّد العائد بقدر كافٍ، يدخل الخدمة ملف free cooling أو مبرّد جاف (dry cooler) يُضاف إلى النظام. ويقوم هذا الملف بطرح جزء من الحرارة أو كلها دون تشغيل الضاغط، عبر تمرير الماء الفاتر العائد من العملية إلى الهواء الخارجي مباشرة.

المعيار الحاسم هو فرق درجة الحرارة بين الهواء الخارجي والماء المبرَّد. فعندما ينخفض الهواء الخارجي إلى نحو بضع درجات دون درجة حرارة الماء المستهدفة، يبدأ التبريد الحر الجزئي؛ وكلما اتسع الفارق زادت الحرارة التي يطرحها الملف وانخفض حمل الضواغط تدريجياً. وعندما يزداد الهواء برودة، ينتقل النظام إلى وضع التبريد الحر الكامل: تتوقف الضواغط كلياً ولا تعمل سوى المضخات والمراوح. وبذلك تنخفض الكهرباء المسحوبة إلى نسبة أصغر بكثير مقارنة بالتبريد الميكانيكي.

الـ chiller الهجين: chiller وتبريد حر في هيكل واحد

الـ chiller الهجين هو الحل الذي يجمع دورة التبريد الميكانيكي مع ملف free cooling في وحدة واحدة. فبدلاً من تركيب مبرّد جاف منفصل مع chiller منفصل، يجتمع الوضعان معاً داخل هيكل واحد، وينتقل نظام التحكم بينهما تلقائياً وفق الحمل وظروف الهواء الخارجي. وخلال الجزء الأكبر من العام يعمل النظام في أحد ثلاثة أوضاع: تبريد ميكانيكي كامل في الأيام الحارة، ووضع جزئي يعمل فيه الضاغط والملف معاً في مواسم الانتقال، وتبريد حر كامل دون ضاغط في الأيام الباردة.

هذه البنية المتدرجة تُبقي درجة حرارة الماء المبرَّد للمنشأة عند الهدف، وتقلّل في الوقت نفسه ساعات تشغيل الضاغط على مدار العام بشكل كبير. وتقليل ساعات الضاغط لا يؤثر إيجاباً في فاتورة الطاقة فحسب، بل في فترات الصيانة والتآكل الميكانيكي أيضاً؛ وهو ما ينعكس على إجمالي تكلفة تشغيل الـ chiller.

أين يتحقق العائد على التوفير بأسرع صورة

عائد التبريد الحر ليس واحداً في كل منشأة؛ فالمكسب مرتبط مباشرة بملف التشغيل والمناخ. وفيما يلي الظروف النموذجية التي يتحقق فيها العائد على الاستثمار بأسرع وتيرة:

• أحمال التبريد المستمرة أو متعددة الورديات على مدار العام؛ فكلما زادت ساعات التشغيل اتسعت نافذة التبريد الحر.
• درجات حرارة ماء مبرَّد معتدلة أو مرتفعة؛ فمثلاً إذا كانت العملية قادرة على العمل بماء 12-18 °C، فإن التبريد الحر يدخل الخدمة خلال فترة أطول بكثير من العام.
• المناخات الباردة أو ذات مواسم الانتقال الطويلة؛ ففي المناطق التي تتكرر فيها درجات الهواء الخارجي المنخفضة تتضاعف ساعات التبريد الحر الكامل.
• الدوائر المضاف إليها الغليكول؛ إذ تتيح الحماية من التجمد للنظام الاستفادة من التبريد الحر بأمان حتى في درجات الحرارة الخارجية المنخفضة.
• المنشآت ذات سعر وحدة الكهرباء المرتفع؛ إذ تتحول كل ساعة يُتجنب فيها تشغيل الضاغط إلى توفير مباشر.

وعلى العكس، في عملية تعمل في أشهر الصيف فقط وبدرجات حرارة ماء منخفضة جداً، تكون نافذة التبريد الحر ضيقة ويطول أمد استرداد الاستثمار. لذلك ينبغي أن يُتخذ القرار بناءً على منحنى الحمل الفعلي للمنشأة وتوزيع درجات الحرارة في مناخها.

توقعات واقعية للتوفير وفترة الاسترداد

المكسب السنوي للتبريد الحر يتناسب مع عدد الساعات التي تتوقف فيها الضواغط عن العمل. وفي ظل درجات حرارة ماء مبرَّد مناسبة ومناخ بارد، يمكن الحديث بشكل معقول عن توفير يصل إلى 40% في طاقة التبريد السنوية ضمن الظروف الملائمة؛ غير أن هذه النسبة تتغير بدرجة كبيرة تبعاً للمناخ وملف الحمل ودرجة حرارة الماء المختارة. والنهج الصحيح هو إجراء تحليل لتوزيع درجات الحرارة على أساس الساعات (bin-hour) الخاص بالمنشأة، بدلاً من الاعتماد على رقم واحد مبالغ فيه.

وتتوقف فترة الاسترداد أيضاً على المتغيرات نفسها. ففي المنشآت ذات ساعات التشغيل العالية وسعر الطاقة المرتفع، يُسترد الاستثمار الإضافي للحل الهجين بسرعة نسبية، بينما تطول المدة في المنشآت قليلة الاستخدام. لذلك يجب أن يُبنى القرار على حساب قابل للقياس، لا على وعد نمطي.

Planer: الـ chiller الهجين والمبرّدات الجافة

صُمّمت عائلتا منتجات Planer من الـ chiller الهجين والمبرّدات الجافة / Dry Cooler لدمج التبريد الحر ضمن نظام تبريد العمليات. ومن الممكن إضافة مرحلة تبريد حر قائمة على مبرّد جاف إلى نظام chiller قائم، كما يمكن اختيار وحدة هجينة من البداية؛ ويُحدَّد الخيار الصحيح وفق درجة حرارة الماء المبرَّد للمنشأة ومنحنى حملها ومناخها.

إذا رغبتم في معرفة التوفير الواقعي وفترة الاسترداد اللذين سيوفرهما التبريد الحر استناداً إلى ملف حمل منشأتكم وبيانات مناخها، فإن فريق الهندسة في Planer مستعد لتقييم التهيئة الهجينة الصحيحة معكم.